Trois défis pour défier les ingénieurs

« Le 27 juillet 1850, je partis de Baltimore sur le navire Nonantum, de Boston, (Bates, capitaine) à destination de San Francisco. Dans la cale du navire étaient arrimés 1 050 tonnes de charbon. Le deuxième matin après le début de la tempête, de la fumée avait été découverte entre les ponts. La vérité alarmante est instantanément apparue dans nos esprits. Le gaz qui provenait du charbon avait généré un incendie. Ils se mirent ensuite à fermer les écoutilles et à calfeutrer chaque joint hermétiquement, dans l’espoir d’arrêter la progression de l’incendie qu’il était impossible d’éteindre. -Incidents sur terre et sur l’eau, ou quatre ans sur la côte du Pacifique. DB Yates, Boston, J. French and Company, 1857.

Depuis que les navires ouverts ont été enfermés dans des compartiments, la ventilation a été une préoccupation primordiale, pour les passagers, l’équipage et l’existence du navire lui-même.

En 2021 et pour les prochaines années, les experts CVC citent trois enjeux prioritaires : la pandémie de COVID-19 ; efficacité énergétique; et trouver de nouveaux réfrigérants sûrs à faible potentiel de réchauffement planétaire (PRP).

À certains égards, ces défis sont liés. À d’autres égards, ils évoluent séparément. Mais chacun pose aux architectes navals et aux armateurs une myriade de questions.

I. COVID-19.
L’industrie des croisières est au cœur de la tempête COVID. La ventilation et la qualité de l’air sont au cœur du retour de l’industrie aux plans de navigation.

En juillet 2020, pour faire face à la crise pandémique, le Royal Caribbean Group et Norwegian Cruise Line Holdings ont mis en place une équipe d’experts en santé publique et en médecine, appelée Healthy Sail Panel. Le CVC et la ventilation étaient dans la ligne de mire. En septembre, dans un rapport détaillé, le comité a recommandé un certain nombre de stratégies de CVC et de gestion de l’air. Les exemples comprennent:

• Filtration améliorée – Améliorez les filtres CVC au niveau le plus élevé possible compte tenu des contraintes de l’âge du navire et du type de ventilation.

• Optimisez les modèles de flux d’air – Ne faites pas recirculer l’air. Si cela est inévitable, utilisez des filtres de haute qualité.

• Pensez stratégiquement – ​​établissez des pratiques préventives là où le virus peut être le plus difficile à contrôler ou là où le surpeuplement est courant.

Le rapport souligne que « les mises à niveau CVC peuvent considérablement améliorer la filtration des agents pathogènes » et que « les opérateurs de croisière doivent faire tout leur possible pour mettre à niveau les filtres CVC de leurs navires vers des filtres MERV 13 » (MERV = Valeur minimale de rapport d’efficacité, une note de 1 à 20 système dans lequel 1 est le niveau de filtration le plus bas, 20 est le plus élevé).

L’industrie des croisières, du moins représentée par la Cruise Lines International Association (CLIA), a soutenu les recommandations du panel. « Le conseil d’administration mondial de CLIA a voté à l’unanimité pour adopter tous les éléments de base répertoriés pour un redémarrage initial des opérations limitées dans les Amériques », a écrit la CLIA dans un communiqué de presse de septembre 2020. Le CVC figurait parmi les éléments de base répertoriés devant faire l’objet d’un changement : « Ventilation. Stratégies de gestion de l’air et de ventilation pour augmenter l’air frais à bord et, si possible, utiliser des filtres améliorés et d’autres technologies pour atténuer les risques.

Alors que l’industrie des croisières s’efforce de revenir à la normale, il est difficile d’évaluer dans quelle mesure les recommandations CVC du panel se sont transformées en projets réels à bord des navires. La CLIA n’a pas répondu aux demandes de renseignements sur les mesures de l’industrie ou des membres qui pourraient résumer les investissements récents dans les systèmes CVC améliorés.

II. Économiser de l’énergie, de l’argent et du carbone
Les exploitants de navires subissent des pressions mondiales pour réduire les émissions de carbone. C’est assez difficile. Maintenant, ajoutez de nouvelles stratégies pour contrôler COVID-19. Le CVC consomme beaucoup d’électricité. Sur un navire à passagers, les charges CVC peuvent consommer autant d’énergie que la propulsion.

Kevin Glover, propriétaire et directeur général de Coefficient Engineers, affirme que le CVC et les défis de COVID-19 et de l’efficacité énergétique sont entremêlés. (Photo : ingénieurs en coefficients)

Kevin Glover, PE, est propriétaire et directeur général de Coefficient Engineers, une société d’ingénierie HVAC basée en Caroline du Nord ; la conception marine est un secteur d’activité central. Glover siège également au comité de transport HVAC 9.3 de l’ASHRAE, qui comprend un volet maritime.

Glover a expliqué comment le CVC, le COVID et l’énergie sont liés. Pour commencer, considérez que l’efficacité opérationnelle, dans tous les systèmes d’un navire, pas seulement la propulsion, est un objectif critique en ce moment. Les coûts de carburant sont toujours une préoccupation. Et maintenant, la consommation de carburant est une préoccupation en raison des pressions climatiques.

Les efforts pour économiser du carburant ont été impactés par COVID-19, en particulier sur les navires à passagers. La recherche a montré que les virus sont moins viables dans une plage étroite d’humidité relative (HR), 40-60%. Le maintien de cette plage, cependant, dans des emplacements sélectifs, présente de nombreux défis énergétiques et techniques.

La plus grande demande d’énergie sur un système CVC provient de l’élimination de l’humidité de l’air frais. Par conséquent, la pratique standard consiste à n’admettre que des quantités minimales d’air frais dans un système de circulation, maintenant ainsi une efficacité CVC plus élevée. Moins d’élimination de l’humidité signifie moins d’énergie.

COVID a introduit une nouvelle ride. L’un des moyens les plus efficaces de lutter contre le virus est de diluer son nombre avec de grandes quantités d’air frais, et il s’avère que le virus « n’aime pas » la même plage d’humidité relative optimale pour le confort humain. Cela impose de nouvelles exigences en matière de ventilation et de contrôle de l’humidité, explique Glover, conduisant même à une « surventilation ». Cela fournit des systèmes de bord plus sains et plus confortables, commente-t-il, « mais le compromis utilise plus d’énergie ».

Flagship Marine est un fabricant de systèmes et de composants HVAC basé en Floride. Steve Brigham est le directeur du développement commercial de Flagship. Il explique que sur les navires relativement petits, par exemple les yachts, la ventilation est simple : l’ouverture des écoutilles est généralement suffisante. Les navires plus grands nécessitent des unités d’air d’appoint qui aspirent l’air extérieur et le traitent avant que l’air ne soit mélangé dans un système embarqué.

Brigham a déclaré que les unités d’appoint doivent être correctement dimensionnées pour que l’air frais, provenant d’un seul passage à travers l’évaporateur ou les éléments chauffants, corresponde étroitement aux conditions à bord du navire. Flagship utilise du cuivre pour éviter que les évaporateurs ne soient détruits par les éléments maritimes. En réponse au COVID-19, Flagship Marine propose un éclairage U/V avec ses centrales de traitement d’air et ses unités d’air d’appoint.

Les coûts du carburant et la dynamique énergétique conduisent les concepteurs HVAC à repenser les approches fondamentales de la conception maritime. Kevin Glover a décrit comment ces nouvelles approches – de la modélisation 3D avancée aux jumeaux numériques – élargissent les possibilités de construire des systèmes écoénergétiques tout en répondant aux attentes des clients. Une idée : prendre la modélisation sophistiquée des informations sur le bâtiment (BIM) utilisée pour les bâtiments terrestres et l’adapter à la construction de navires. »

« Avec la modélisation 3D utilisée pour les bâtiments, tous les membres de l’équipe de développement disposent du même ensemble de données », a expliqué Glover. Les conflits de construction potentiels, par exemple avec l’électricité et la plomberie, sont résolus avant le début de la construction. « Cela s’applique à la conception marine », a commenté Glover.

Plus important encore, ces modèles peuvent expliquer l’énorme différence dans la conception de CVC pour un navire par rapport à un bâtiment, par exemple, un bâtiment est statique, son exposition solaire est facile à suivre et à planifier. L’exposition solaire d’un navire peut varier d’une heure à l’autre. Idem pour la température et l’humidité ambiantes et toute la gamme des conditions météorologiques.

« Il existe maintenant des opportunités », a déclaré Glover, « de tirer parti de nouveaux capteurs, de données riches, d’apprentissage automatique et de lier tout cela à des capacités d’exploitation en temps réel. » Il a dit que dans le passé, les architectes navals faisaient face à des conditions variables en surdimensionnant de multiples facteurs et en créant des redondances.

Glover a déclaré qu’il y a 15 à 20 ans, les armateurs étaient opposés aux nouvelles technologies, aux capteurs et aux logiciels. Maintenant, cependant, les coûts des matières premières augmentent, tandis que les coûts technologiques ont considérablement diminué. « Avec un système bien conçu », commente Glover, « avec des entrées en temps réel sur les refroidisseurs, l’équipement, la filtration, le tout s’avère plus grand que la somme de ses parties. » Des coûts d’exploitation réduits accélèrent les délais d’amortissement, non seulement en termes d’efficacité, mais également de maintenance. La haute technologie permet une surveillance en temps réel. Et les problèmes découverts plus tôt sont généralement moins chers à résoudre.

Ce refroidisseur phare peut conserver une variation de température à l’échelle du système à moins de 0,5 degré dans des conditions allant du tropique à l’arctique. (Image : Marine phare)

III. Réfrigérants à faible GWP
Un troisième défi CVC maritime critique est lié aux réfrigérants à faible potentiel de réchauffement global (faible GWP). Les lecteurs sont probablement conscients que les problèmes d’inflammabilité affligent certains réfrigérants à faible PRG.

Brigham, avec Flagship, a déclaré que « l’ancien R22 fiable n’est plus produit bien qu’il soit toujours disponible ». Il a déclaré que les nouveaux gaz proposés sont respectueux de l’environnement « mais présentent des problèmes majeurs en raison de leur inflammabilité ». Cela peut ne pas être un problème dans les applications côtières bien ventilées. « Cependant, c’est une préoccupation à bord des navires », a-t-il conseillé, « où les compresseurs sont souvent situés dans des espaces restreints. »

Glover a déclaré qu’un grand bateau de croisière, avec des refroidisseurs lourds, peut utiliser en toute sécurité un composé à faible GWP qui n’est pas inflammable. Mais pour les petites applications de refroidissement, même en quantités relativement faibles, une inflammabilité élevée reste un problème. Les réfrigérateurs de cabine en sont un exemple : chacun contient très peu de réfrigérant, mais il en existe des milliers. Glover a déclaré que parce que les navires de croisière sont construits en Europe, les concepteurs et les ingénieurs ont été quelque peu en avance sur ce problème par rapport à leurs homologues américains.

Récemment, cependant, les réfrigérants à faible PRG sont passés au premier plan des priorités réglementaires américaines. La nouvelle loi américaine sur l’innovation et la fabrication (AIM) adoptée en décembre dernier oblige l’Agence américaine de protection de l’environnement (EPA) à établir un programme d’allocation et d’échange de quotas pour les hydrofluorocarbures (HFC), les composés utilisés dans les réfrigérants modernes, appelés « gaz à effet de serre puissants » par l’EPA. D’ici 2036, les HFC doivent être réduits à 15 % des niveaux de référence. L’AIM est également censé faciliter « la transition vers des technologies de nouvelle génération qui ne reposent pas sur les HFC », selon l’EPA.

Cette réduction progressive a commencé en mai lorsque la règle proposée par l’EPA a été publiée dans le Federal Register. Alors que les HFC pour certaines utilisations bénéficieront d’allocations élargies (par exemple, militaires et lutte contre les incendies), les quantités globales diminueront.

Le Phasedown soulève des questions presque sans fin. Alors que les HFC se raréfient, les matériaux qui restent disponibles fonctionneront-ils dans un environnement maritime, simplement parce qu’ils peuvent fonctionner dans des applications terrestres ?

Glover a déclaré qu’il s’agissait d’un sujet prioritaire pour l’ASHRAE. « Nous examinons la recherche ASHRAE et les développements terrestres de réfrigérants alternatifs afin de déterminer la meilleure voie à suivre pour les applications maritimes », a-t-il déclaré.

Restez à l’écoute.

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